高校地理信息技術相關課程上機實驗教學探索和體會

【摘要】 筆者從2008年起開設了跨專業全校性本科生選修課《地理信息技術與數字地球》、研究生選修課《地理信息技術及其在海岸帶管理中的應用》，深刻體會到讓不同專業背景與學習層次的學生都能理解地理信息技術的專業知識并學以致用，課堂上機實驗至關重要。本論文圍繞課程上機實驗教學的探索與實踐，詳細介紹地理信息技術相關課程教學大綱與上機實驗方案的設計，以及開放式課程作業的設計與教學效果評估，最后進一步總結了幾點心得體會，供同行借鑒與參考。

【關鍵詞】 地理信息技術；GIS；上機實驗；高校教學

引言

1998年1月31日，美國副總統戈爾在美國加利福尼亞科學中心發表了題為《數字地球：二十一世紀認識地球的方式 （The Digital Earth：Understanding Our Planet in the 21st Century）》的講演，提出了“數字地球”（Digital Earth）的概念。戈爾在講演中指出：我們需要一個“數字地球”，一個可以嵌入海量地理數據的、多分辨率的、真實地球的三維表示［1］。戈爾關于“數字地球”的這些觀點引起了科技界的高度重視與響應。21世紀已進入數字化時代，谷歌地球（Google Earth）、數字城市、電子政府等詞匯與理念開始深入人心。2004年8月，地理信息技術與生物技術、納米技術被美國勞工部并列為三大最具前景的新興產業［2］。我國在這個世紀初以來，也注重地理信息技術專業人才的培養，各種地理信息技術相關的優秀教材也不斷出現［2-4］。

筆者從2008年開始給本科生和研究生講授地理信息技術課程。其中本科生課《地理信息技術與數字地球》為跨專業全校性選修課，研究生則為全英文教學的海洋事務碩士生選修課《地理信息技術及其在海岸帶管理中的應用》。從選修學生的專業背景知識來看，文理工兼具，層次也參差不齊。如何讓不同專業的學生能理解地理信息技術相關專業知識，課堂上機實驗的設計對于這兩門實用性很強的課程尤其重要。本文主要以這兩門與地理信息技術相關的課程為例，圍繞課程上機實驗的設計與探索，談些體會，以饗讀者。

1 知識背景與課程定位

據統計，地球上有超過80%的數據與空間相關，而地理信息技術是空間數據數字化的核心技術之一，是將地球上各種資源信息可視化表達、存貯、分析以方便人類生活、生產的重要技術支撐。地理信息技術是一種強有力的空間信息獲取、管理和分析的工具［5］。這里談及的地理信息技術主要為3“S”，即：地理信息系統（ GIS，Geographical Information System）、遙感（RS，Remote Sensing）、全球定位系統（ GPS，Global Positioning System）。其中，GIS 是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間相關數據進行采集、管理、操作、分析和顯示，并采用模型分析方法，適時提供多種空間和動態信息，為地理研究和決策服務而建立起來的計算機技術系統［6］。RS 與GPS 是兩種重要的空間信息采集工具，是GIS重要的數據源。

由以上可知，地理信息技術是與計算機、地理學等學科相關性很強的一門實用型技術，并與我們的日常生活息息相關，如：利用GPS導航定位、利用谷歌或百度上的電子地圖進行相關空間查詢等。事實上，地理信息技術的應用領域已不再僅僅是地理學，已被應用于衛生、交通、林業、房地產、旅游、農業等各行各業中 ［7-8］。世界最大的GIS軟件公司環境系統研究所Environmental Systems Research Institute（ESRI）的創建者、總裁Jack Dangermond說過，GIS的應用僅受限于使用者的想象力。也因為這樣，從2008年開課以來，學生選修這門課的積極性較高，不論他們的專業背景是歷史、音樂、哲學、英語、或是化學、生物、建筑、機械自動化與計算機等。表1列出了2010－2011年開設的本科生全校性選修課和海洋事務碩士生選修課兩門課的選課學生的專業及人數構成情況。

表1 選課學生專業及人數構成

由表1可見，兩門選修課，無論是本科生還是研究生的課程，選課學生的專業背景五花八門，這給教學與上機實驗帶來了一定的挑戰。但無論是全校性本科生選修課，或是全英文授課研究生選修課，本課程的定位都是一致的，即結合自身的課題研究成果，如GIS在流域與海岸帶管理中的應用等，介紹地理信息技術的基本功能及其應用，讓學生了解地理信息技術、數字地球與人類生產生活緊密相關，并初步掌握地理信息技術常用軟件的基本操作。

2 課程設計與上機實驗教學方案

圍繞上述課程開設的定位，進行了課程的整體安排與上機實驗教學的設計。表2為全校性本科生選修課《地理信息技術與數字地球》課程的整體設計。由表2可見，涉及到GIS、RS軟件實際操作與課程作業的第4、7和8講，占整個課程課時（36課時）的近60%（22課時），這是出于該課程實用性較強，需有足夠時間保證上機的考慮。

表2 全校性本科生選修課《地理信息技術與數字地球》之課程設計

基于同樣的思路，開展了海洋事務研究生選修課的課程設計，詳見表3。由表3可見，有關ArcGIS軟件學習的時間占用了20個學時，并進一步設計了兩個有關GIS軟件的課程實踐（作業），目的是保證學生有充分的時間上機練習及完成課程作業。

表3 海洋事務研究生選修課《地理信息技術及其在海岸帶管理中的應用》之課程設計

在保證讓學生在課堂上有時間能自己動手操作軟件的前提下，基于課程的定位，為了讓學生掌握一些基本的軟件功能，進一步設計一些能使不同專業背景的學生都能感興趣的上機內容。表4進一步給出了本科生選修課《地理信息技術與數字地球》第4講（表3）的上機實驗設計。需要強調的是，本科生教學所涉及到的GIS軟件為MapInfo和ArcView兩個較易上手，界面友好同時對機房的硬件要求不高的桌面式GIS軟件，主要的參考教材是《地理信息系統導論》（第一版）［3］。

表4 《地理信息技術與數字地球》之第4講上機實驗設計

通過上機操作，學生基本上掌握了空間數據采集（數字化）與編輯、屬性數據輸入與管理以及專題地圖制作等基本的GIS軟件操作，從課程難度上也較適合于這些跨專業（文理工兼具）的本科生。

對于海洋事務研究生選修課《地理信息技術及其在海岸帶管理中的應用》，表3所列的第2－10講“ArcGIS軟件學習”的上機內容進一步展開如表5所示。需要說明的是，由于是研究生課程及上機條件的改善，學習的GIS軟件為ArcGIS，主要的教材是《地理信息系統導論》（第三版）［2］。該教材有中文導讀，其它內容包括上機說明都是英文，是現有較適合作為GIS英文教學的教材。在實際授課中，針對每一講，采用“概念與原理介紹”與“上機實踐”兩部分相結合的形式，有效地保證了學生的上機時間。

表5 《地理信息技術及其在海岸帶管理中的應用》第2－10講之上機實驗模式設計

由表5可見，盡量課時有限，但基于研究生具有一定的自學能力的考慮，通過這樣的上機實驗設計，學生較為系統地掌握了GIS軟件的基本功能如空間數據采集、編輯、制圖、簡單的緩沖區分析、空間疊置等空間分析，并學到了一些高級的空

間分析，如地形分析、水文分析等以及GIS模擬。

3 期末課程作業設計與課程教學效果評估

對于這兩門實踐性較強的選修課，如果在期末用閉卷考的形式，僅是要求學生掌握地理信息技術相關的原理、概念，則有悖于課程的定位。取而代之的是，通過結合實際情況的開放式課程作業的設計，來考核學生對課程掌握的情況，從學生提交的作品來評估教學效果。

對于全校性本科生選修課《地理信息技術與數字地球》，通過2個期末作業來評估學生課程的表現。課程作業1是“數字化廈門大學本部地圖”。通過采集身邊的空間數據并進行制圖表達，讓學生進一步掌握MapInfo的空間數據采集，屬性數據錄入，數據編輯以及制圖等基本操作。學生較好地完成了作業，并建立了不同的空間圖層，如道路、林地、建筑用地、湖泊、草地等圖層（見圖1A）。課程作業2是專題地圖制作“中國人口分布圖”，通過該作業，評估學生應用ArcView進行專題地圖制作的能力。圖1是這兩個課程作業的學生作品。

圖1 本科生課程作業（A-作業1；B-作業2）

由圖1可見，學生基本掌握了對周邊地理事物進行數字化與制圖表達的能力。通過這樣的開放式的課程作業設計，聯系身邊的地理現象，讓學生學以致用（如廈大校園地圖制作），極大地激發了他們學習這門課程的自主性和積極性。

對于海洋事務研究生選修課《地理信息技術及其在海岸帶管理中的應用》，同樣采用課程作業來評估學生對課程的掌握情況。作業1是有關創建GIS數據庫及地理制圖。其中的制圖包括普通地圖與專題地制作。通過開放式分組（按學生所在國家）作業的完成，讓學生掌握從網上獲取各種相關空間數據的數據采集方式，并進一步編輯與地理制圖。作業2是利用GIS的空間分析功能并與模型結合估算流域尺度的水土流失量并表達其空間分異性（基于課題研究成果）。該作業涉及到表5中的第6、7、8、10講的內容，可讓學生進一步鞏固相關知識并通過GIS項目練習對GIS的空間分析與地理表達有進一步的認識。圖2和圖3分別是來自美國與喀麥隆的兩位學生完成的兩個作品。

圖2 研究生課程作業1之學生作品

圖3 研究生課程作業2之學生作品

從圖2－3可以看出，學生較好地掌握了地理信息技術的相關知識與軟件技能。值得強調的是，圖2作業是本科專業是生物學的美國學生自己從網上下載相關空間數據圖層，包括行政邊界、河流、道路、人口等并完成制圖的，來自韓國、喀麥隆等地的學生也完成了他們各自國家專題地圖制作，篇幅所限，這里無法一一列出他們的作品。顯然，通過這樣的課程作業設計會使他們產生能用所學的東西制作自己國家地圖的自豪感和成就感，學以致用。課后來自不同國家、學習層次不同的學生的普遍反映是該課程的實用性強，能學到一些“超出預期”的東西。

4 教學心得與體會

通過三年多的跨專業本科生、研究生地理信息技術相關課程的教學實踐與探索，總結如下教學心得與體會：

4.1 聯系實際并明確“學以致用”的課程定位。通過課題研究的成果展示并聯系身邊有關空間數據的事例，讓學生了解地理信息技術是解決研究問題并與日常生活緊密相關的常用工具，有效地減少了跨專業學生對這個從未曾接觸的軟件工具的陌生感。進一步地從實用性的角度進行課程、上機實驗設和課程作業設計，讓學生掌握地理信息技術常用軟件的基本操作。

4.2 “概念與原理介紹”與“上機實踐”兩部分相結合的授課形式對于地理信息技術這種實用型技術的教學是有效的。有關地理信息技術的原理與概念介紹很晦澀難懂，在簡要地對重點概念與原理介紹之后，通過給學生有具體操作步驟的上機練習，完成特定任務，在課堂上有成就感，這很重要。課程設計上要保證學生有較多的上機時間。

4.3 課程評估宜采用開放式的課程作業的形式，讓學生提交作品，而非閉卷考試。通過進一步的上機操作、復習相關內容并完成作品，可以進一步鞏固學生對這一實用型技術的基本功能的掌握。

參考文獻

［1］ Core A. The Digital Earth：Understanding our planet in the 21th Century. Given at the California Science Center，Los Angeles，California，on January 31，1998

［2］ Chang K S著，陳健飛譯. 地理信息系統導論（第三版）. 科學出版社，2006

［3］ Chang K S著，陳健飛譯. 地理信息系統導論（第一版）. 科學出版社，2003

［4］ 湯國安，楊昕. ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程. 科學出版社，2006.

［5］ 黃金良，洪華生，張珞平，張玉珍. 地理信息技術在海岸帶資源環境管理中的應用，臺灣海峽，2003，22（1）：79-84

［6］ 黃杏元，馬勁松，湯勤. 地理信息系統概論. 北京：高等教育出版社，2001

［7］ 陳慈穎. 地理信息系統在中學地理教育當中的應用. 福建地理，2002，17（3）：54-58

［8］ Longley P A，Goodchild M F，Maguire D J，Rhind D W.著. 張晶，劉瑜，張潔，田原譯. 地理信息系統與科學，機械工業出版社，2007